(57)【要約】【課題】タービンに流入する排気の流量が低下しても内燃機関の過給を十分に行うことが可能な内燃機関の過給システムを提供する。【解決手段】排気通路４のタービン５ｂにて排気エネルギを回収して吸気通路３のコンプレッサ５ａを駆動するターボ過給機５を備えた内燃機関の過給システムにおいて、コンプレッサ５ａよりも下流側の吸気通路３に設けられたブースタ装置１０を備えている。ブースタ装置１０は、排気脈動によって共鳴通路１３の一端１３ａに腹が生じるように共鳴通路１３内に定在波を発生させ、その腹の圧力が負圧のときに外筒１２の吸入通路１５と共鳴通路１３とを接続させ、その腹の圧力が正圧のとくに外筒１２の排出通路１６と共鳴通路１３とを接続させる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に設けられたタービンにて排気エネルギを回収して前記内燃機関の吸気通路に設けられたコンプレッサを駆動するターボ過給機を備えた内燃機関の過給システムにおいて、
前記吸気通路の前記コンプレッサよりも下流側の区間に設けられたブースタ装置を備え、
前記ブースタ装置は、一端が閉じられるとともに他端が開放された共鳴通路を有し、かつ前記共鳴通路から延びて外周面に開口する貫通孔が設けられている内筒部材と、前記内筒部材の外側に同軸に配置されるとともに前記内筒部材に対して軸線方向に相対移動可能に設けられ、前記吸気通路の前記コンプレッサと前記ブースタ装置との間の区間と接続されるとともに一端が内周面に開口する吸入通路及び前記ブースタ装置よりも下流側の吸気通路と接続されるとともに一端が内周面に開口する排出通路を有する外筒部材と、前記共鳴通路の前記他端側に往復動自在に挿入されたピストン部材と、前記共鳴通路の前記他端と前記排気通路とを接続する接続通路と、前記内筒部材及び前記外筒部材の少なくともいずれか一方を駆動し、前記内筒部材と前記外筒部材との相対位置を前記内筒部材の前記貫通孔と前記吸入通路の一端とが接続される第１位置と前記内筒部材の前記貫通孔と前記排出通路の一端とが接続される第２位置とに切り替え可能な駆動手段と、前記駆動手段の動作を制御する制御手段と、を備え、
前記貫通孔は、前記共鳴通路の内部で定在波が発生した場合に前記定在波の腹が生じる位置に設けられ、
前記制御手段は、前記内筒部材と前記外筒部材との相対位置が、前記貫通孔が設けられた位置の前記腹の圧力が大気圧より低い負圧のときに前記第１位置に切り替わり、前記貫通孔が設けられた位置の前記腹の圧力が大気圧以上の正圧のときに前記第２位置に切り替わるように前記駆動手段の動作を制御する内燃機関の過給システム。
【請求項２】
前記吸気通路の前記コンプレッサと前記ブースタ装置の間の区間と前記ブースタ装置よりも下流側の吸気通路とを接続するバイパス通路と、前記バイパス通路を開閉するバイパス弁と、をさらに備えている請求項１に記載の内燃機関の過給システム。
【請求項３】
前記内燃機関は、複数の気筒を備えた４サイクル内燃機関として構成され、
前記貫通孔が前記共鳴通路の前記一端に設けられ、
前記共鳴通路の長さは、前記共鳴通路の長さをＬ、前記内燃機関の気筒数をＣ、音速をＶ、前記ブースタ装置を動作させるべき所定の運転状態における前記内燃機関の１分間当たりの回転数をＮとした場合に、次式
Ｌ＝（Ｖ／Ｎ×Ｃ／６０／２）／４
が満たされるように設定されている請求項１又は２に記載の内燃機関の過給システム。
【請求項４】
前記接続通路を開閉する制御弁をさらに備え、
前記所定の運転状態は、前記内燃機関の回転数が予め設定した判定回転数以下の運転状態であり、
前記制御手段は、前記内燃機関の運転状態が前記所定の運転状態の場合に前記制御弁を開ける請求項３に記載の内燃機関の過給システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の吸気通路に設けられたコンプレッサにて吸気を圧縮し、これにより内燃機関を過給するターボ過給機を備えた内燃機関の過給システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
排気通路のタービンにて排気エネルギを回収して吸気通路のコンプレッサを駆動し、コンプレッサで吸気を圧縮して内燃機関を過給するターボ過給機が知られている。周知のように内燃機関の回転数が低くなるほど気筒から排出される排気の量が減少する。そのため、このようなターボ過給機では、内燃機関の回転数が低いとタービンが十分に回転駆動されず過給効率が低下する。そこで、コンプレッサの上流の吸気通路に吸気通路の内径よりも小径の吸気制御弁を設け、ターボ過給機が低速域にあるときはこの吸気制御弁を閉めて吸気の流速を上昇させ、これにより過給効率を高めるターボ過給装置が知られている（特許文献１参照）。その他、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２が存在する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−２０１９５１号公報
【特許文献２】実開昭６２−１５０５３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１のターボ過給機においても、コンプレッサはタービンに流入した排気の排気エネルギにて駆動される。そのため、排気エネルギの回収をタービンで十分に行えなくなると過給効率が悪化し、過給圧が低下するおそれがある。
【０００５】
そこで、本発明は、タービンに流入する排気の流量が低下しても内燃機関の過給を十分に行うことが可能な内燃機関の過給システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の内燃機関の過給システムは、内燃機関の排気通路に設けられたタービンにて排気エネルギを回収して前記内燃機関の吸気通路に設けられたコンプレッサを駆動するターボ過給機を備えた内燃機関の過給システムにおいて、前記吸気通路の前記コンプレッサよりも下流側の区間に設けられたブースタ装置を備え、前記ブースタ装置は、一端が閉じられるとともに他端が開放された共鳴通路を有し、かつ前記共鳴通路から延びて外周面に開口する貫通孔が設けられている内筒部材と、前記内筒部材の外側に同軸に配置されるとともに前記内筒部材に対して軸線方向に相対移動可能に設けられ、前記吸気通路の前記コンプレッサと前記ブースタ装置との間の区間と接続されるとともに一端が内周面に開口する吸入通路及び前記ブースタ装置よりも下流側の吸気通路と接続されるとともに一端が内周面に開口する排出通路を有する外筒部材と、前記共鳴通路の前記他端側に往復動自在に挿入されたピストン部材と、前記共鳴通路の前記他端と前記排気通路とを接続する接続通路と、前記内筒部材及び前記外筒部材の少なくともいずれか一方を駆動し、前記内筒部材と前記外筒部材との相対位置を前記内筒部材の前記貫通孔と前記吸入通路の一端とが接続される第１位置と前記内筒部材の前記貫通孔と前記排出通路の一端とが接続される第２位置とに切り替え可能な駆動手段と、前記駆動手段の動作を制御する制御手段と、を備え、前記貫通孔は、前記共鳴通路の内部で定在波が発生した場合に前記定在波の腹が生じる位置に設けられ、前記制御手段は、前記内筒部材と前記外筒部材との相対位置が、前記貫通孔が設けられた位置の前記腹の圧力が大気圧より低い負圧のときに前記第１位置に切り替わり、前記貫通孔が設けられた位置の前記腹の圧力が大気圧以上の正圧のときに前記第２位置に切り替わるように前記駆動手段の動作を制御する（請求項１）。
【０００７】
周知のように内燃機関の排気通路には圧力の脈動（以下、排気脈動と称することがある。）が発生している。本発明の過給システムでは、共鳴通路の他端と排気通路とが接続されているので、排気脈動によってピストン部材を振動させることができる。このようにピストン部材が振動すると、共鳴通路内に他端から一端に進行する波が連続的に発生する。これらの波は一端で反射して一端から他端に進行する波となる。そして、これら互いに進行方向が逆向きの波が共鳴すると共鳴通路の内部に定在波（定常波とも呼ばれる。）が発生する。この場合、定在波の腹の部分では圧力が大気圧より低い負圧になったり大気圧以上の正圧になったりして大きく変動し、定在波の節の部分では圧力が殆ど変動しなくなる。本発明の過給システムでは、貫通孔がこの定在波の腹が生じる位置に設けられている。また、制御手段は貫通孔が設けられている位置の腹が負圧のときに内筒部材と外筒部材との相対位置を第１位置にし、その腹が正圧のときに内筒部材と外筒部材との位置を第２位置に切り替える。そのため、内筒部材と外筒部材との相対位置が第１位置に切り替えられたときに吸入通路から共鳴通路内に吸気を吸い込ませ、内筒部材と外筒部材との相対位置が第２位置に切り替えられたときに共鳴通路内の吸気を排出通路に排出させることができる。すなわち、本発明の過給システムによれば、排気脈動にて共鳴通路の内部に定在波を生じさせ、その定在波の腹の圧力変動を利用して過給を行うことができる。そのため、タービンに流入する排気の流量が低下しても内燃機関の過給を十分に行うことができる。
【０００８】
本発明の内燃機関の過給システムの一形態においては、前記吸気通路の前記コンプレッサと前記ブースタ装置の間の区間と前記ブースタ装置よりも下流側の吸気通路とを接続するバイパス通路と、前記バイパス通路を開閉するバイパス弁と、をさらに備えていてもよい（請求項２）。この場合、バイパス弁を開けることにより、吸気の一部をブースタ装置を迂回させて気筒に導くことができる。
【０００９】
本発明の内燃機関の過給システムの一形態において、前記内燃機関は、複数の気筒を備えた４サイクル内燃機関として構成され、前記貫通孔が前記共鳴通路の前記一端に設けられ、前記共鳴通路の長さは、前記共鳴通路の長さをＬ、前記内燃機関の気筒数をＣ、音速をＶ、前記ブースタ装置を動作させるべき所定の運転状態における前記内燃機関の１分間当たりの回転数をＮとした場合に、次式
Ｌ＝（Ｖ／Ｎ×Ｃ／６０／２）／４
が満たされるように設定されていてもよい（請求項３）。この形態によれば、内燃機関の運転状態がブースタ装置を動作させるべき所定の運転状態のときに共鳴通路内に１／４波長の定在波を発生させることができる。また、この１／４波長の定在波の腹を共鳴通路の一端に生じさせ、節を共鳴通路の他端に生じさせることができる。そのため、内筒部材の長さを短くし、ブースタ装置を小型化することができる。
【００１０】
この形態においては、前記接続通路を開閉する制御弁をさらに備え、前記所定の運転状態は、前記内燃機関の回転数が予め設定した判定回転数以下の運転状態であり、前記制御手段は、前記内燃機関の運転状態が前記所定の運転状態の場合に前記制御弁を開けてもよい（請求項４）。この場合、タービンで十分に排気エネルギを回収できなくなる内燃機関の低回転時にブースタ装置を動作させることができる。そのため、内燃機関が低回転で運転されているときでも内燃機関の過給を適切に行うことができる。
【発明の効果】
【００１１】
以上に説明したように、本発明の内燃機関の過給システムによれば、排気脈動によって共鳴通路内に生じさせた定在波の腹の圧力変動を利用して過給を行うことができる。そのため、タービンに流入する排気の流量が低下しても内燃機関の過給を十分に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一形態に係る過給システムが組み込まれた内燃機関の概略を示す図。
【図２】ブースタ装置の内部を拡大して示す図。
【図３】外筒の吸入通路と内筒の共鳴通路とが接続されている状態のブースタ装置の内部を示す図。
【図４】ターボ過給機のコンプレッサの特性曲線及びエンジンの作動線を示す図。
【図５】ＥＣＵが実行するブースタ装置制御ルーチンを示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１は、本発明の一形態に係る過給システムが組み込まれた内燃機関の概略を示している。図１に示した内燃機関（以下、エンジンと称することがある。）１は、車両に走行用動力源として搭載される４サイクルの内燃機関であり、複数の気筒（不図示）を有する機関本体２と、機関本体２の各気筒に接続される吸気通路３及び排気通路４とを備えている。吸気通路３は、その一部を形成する吸気マニホールド（以下、インマニと称することがある。）３ａを介して各気筒と接続されている。排気通路４は、その一部を形成する排気マニホールド（以下、エキマニと称することがある。）４ａを介して各気筒と接続されている。吸気通路３にはターボ過給機５のコンプレッサ５ａ、吸気を冷却するためのインタークーラ６、及びブースタ装置１０が設けられている。また、吸気通路３には、インタークーラ６とブースタ装置１０との間の区間３ｂとブースタ装置１０とインマニ３ａとの間の区間３ｃとを接続するバイパス通路７が設けられている。バイパス通路７には、この通路７を開閉するバイパス弁８が設けられている。排気通路４には、ターボ過給機５のタービン５ｂが設けられている。ターボ過給機５は、タービン５ｂにて排気エネルギを回収してコンプレッサ５ａを駆動する周知のものであるため、詳細な説明は省略する。
【００１４】
図２は、ブースタ装置１０の内部を拡大して示している。この図に示したようにブースタ装置１０は、内筒部材としての内筒１１と、外筒部材として外筒１２とを備えている。内筒１１には、一端１３ａが閉じられ、他端１３ｂが開放された共鳴通路１３が設けられている。共鳴通路１３の一端１３ａ側の側面には、共鳴通路１３から延びて内筒１１の外周面に開口する複数の貫通孔１４が周方向に等間隔で並ぶように設けられている。外筒１２は、内筒１１の外側に同軸に配置されている。また、外筒１２は、内筒１１に対して軸線ＣＬ方向に相対移動可能に設けられている。外筒１２には、吸入通路１５及び排出通路１６が設けられている。吸入通路１５の一端１５ａは、外筒１２の内周面に全周に亘って開口している。同様に排出通路１６の一端１６ａも、外筒１２の内周面に全周に亘って開口している。吸入通路１５の他端は、吸気通路３のインタークーラ６とブースタ装置１０との間の区間３ｂと接続されている。一方、排出通路１６の他端は、吸気通路３のブースタ装置１０とインマニ３ａとの間の区間３ｃと接続されている。共鳴通路１３の他端１３ｂ側には、ピストン部材としてのピストン１７が往復動自在に挿入されている。共鳴通路１３の長さＬ（図３参照）には、エンジン１の気筒数Ｃ、音速Ｖ（ｍ／ｓｅｃ）、及びブースタ装置１０を動作させるべき所定の運転状態におけるエンジン１の１分間当たりの回転数Ｎ（ｒ．ｐ．ｍ．）を以下の式（１）に代入して算出された値が設定される。
【００１５】
Ｌ＝（Ｖ／Ｎ×Ｃ／６０／２）／４    ・・・（１）
【００１６】
ブースタ装置１０は、外筒１２を軸線ＣＬ方向に駆動する駆動手段としてアクチュエータ１８を備えている。アクチュエータ１８は、吸入通路１５の一端１５ａと内筒１１の貫通孔１４とが接続される第１位置（図３参照）と、排出通路１６の一端１６ａと内筒１１の貫通孔１４とが接続される第２位置（図２参照）との間で外筒１２を駆動する。共鳴通路１３の他端１３ｂには接続通路１９が接続されている。図１に示したようにこの接続通路１９は、共鳴通路１３とエキマニ４ａとを接続する。接続通路１９には、この通路１９を開閉する制御弁２０が設けられている。
【００１７】
次に図２及び図３を参照してブースタ装置１０の動作について説明する。周知のようにエンジン１の排気通路４では、エンジン１の回転数に応じた周波数の圧力の脈動（排気脈動）が発生している。そのため、制御弁２０が開けられて共鳴通路１３の他端１３ｂとエキマニ４ａとが接続されると、エキマニ４ａの排気脈動でピストン１７が振動する。このようにピストン１７が振動すると、共鳴通路１３内に他端１３ｂから一端１３ａに進行する波Ｗ１が連続的に発生する。この波Ｗ１は共鳴通路１３の一端１３ａで反射して他端１３ｂ側に向かう波Ｗ２となる。共鳴通路１３の長さＬは、上述したようにブースタ装置１０を動作させるべき所定の運転状態におけるエンジン１の１分間当たりの回転数Ｎに基づいて設定されている。そのため、この回転数Ｎでエンジン１が運転されているときに制御弁２０が開けられると波Ｗ１、Ｗ２が重なり合って共鳴し、これにより共鳴通路１３内に１／４波長の定在波（定常波とも呼ばれる。）を発生させることができる。この際、共鳴通路１３の一端１３ａに定在波の腹が生じ、共鳴通路１３の他端１３ｂに定在波の節が生じる。そして、この定在波の腹では圧力が大きく変動し、その圧力が大気圧より低い負圧になったり大気圧以上の正圧になったりする。
【００１８】
ブースタ装置１０では、この共鳴通路１３の一端１３ａの腹が負圧になったときに外筒１２が第１位置に移動するようにアクチュエータ１８が制御される。これにより、図３に矢印Ｆ１で示したように吸入通路１５から共鳴通路１３内に吸気を吸い込ませることができる。そして、共鳴通路１３の一端１３ａの腹が正圧になったときには外筒１２が第２位置に移動するようにアクチュエータ１８が制御される。これにより、図２に矢印Ｆ２で示したように共鳴通路１３から排出通路１６に吸気を排出させることができる。このように共鳴通路１３内への吸気の吸入、排出を繰り返し行わせることにより、吸気を強制的に気筒に送ることができるので、エンジン１を過給することができる。以下、このように共鳴通路１３への吸気の吸入、排出が繰り返し行われるように外筒１２を動かすアクチュエータ１８の制御を過給制御と称することがある。
【００１９】
バイパス弁８、アクチュエータ１８、及び制御弁２０の動作は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）３０にて制御される。ＥＣＵ３０は、マイクロプロセッサ及びその動作に必要なＲＡＭ、ＲＯＭ等の周辺機器を含んだコンピュータとして構成され、エンジン１に設けられた各種センサから出力された信号に基づいてエンジン１の運転状態を制御する周知のコンピュータユニットである。ＥＣＵ３０には、エンジン１の運転状態を検出するためのセンサとしてクランク軸の回転速度に対応する信号を出力するクランク角センサ３１等が接続されている。この他にもＥＣＵ３０に各種センサが接続されているが、それらの図示は省略した。
【００２０】
図４は、ターボ過給機５のコンプレッサ５ａの特性曲線、及びエンジン１の作動線を示している。図４では、実線Ｌ１、Ｌ２がコンプレッサ５ａのサージラインを示し、破線Ｌ３がエンジン１の作動線を示している。なお、図４の圧力比は、コンプレッサ５ａの入口の吸気の圧力とコンプレッサ５ａの出口の吸気の圧力との比である。この図に示したようにエンジン１の作動線と、コンプレッサ５ａのサージラインとは吸気量Ｑにおいて交差する。そのため、エンジン１の吸気量がこの吸気量Ｑ以下の場合は、コンプレッサ５ａでサージングが発生し、コンプレッサ５ａによるエンジン１の過給が困難となる。そこで、エンジン１がこのような運転状態で運転されている場合にブースタ装置１０を動作させる。すなわち、エンジン１の吸気量が吸気量Ｑ以下になる運転状態がブースタ装置１０を動作させるべき所定の運転状態に相当する。図５は、ＥＣＵ３０がバイパス弁８、アクチュエータ１８、及び制御弁２０の動作を制御するためにエンジン１の運転中に所定の周期で繰り返し実行するブースタ装置制御ルーチンを示している。この制御ルーチンを実行することにより、ＥＣＵ３０が本発明の制御手段として機能する。
【００２１】
図５の制御ルーチンにおいてＥＣＵ３０は、まずステップＳ１１でエンジン１の運転状態を取得する。エンジン１の運転状態としては、例えばエンジン１の回転数等が取得される。なお、エンジン１の回転数は、クランク角センサ３１の出力信号に基づいて周知の方法で取得すればよい。次のステップＳ１２においてＥＣＵ３０は、エンジン１の回転数が予め設定した所定の判定回転数以下か否か判断する。この判定回転数は、ブースタ装置１０を動作させるか否かを判断するための判定基準として設定されるものである。判定回転数としては、例えば吸気量が図４に示した吸気量Ｑとなる運転状態のときのエンジン１の回転数が設定される。
【００２２】
エンジン１の回転数が判定回転数より高いと判断した場合はステップＳ１３に進み、ＥＣＵ３０はバイパス弁８を開ける。なお、既にバイパス弁８が開いていた場合は、その状態を維持する。続くステップＳ１４においてＥＣＵ３０は制御弁２０を閉じるとともにアクチュエータ１８を停止させ、ブースタ装置１０を停止させる。なお、既にブースタ装置１０が停止していた場合はその状態を維持する。その後、今回の制御ルーチンを終了する。
【００２３】
一方、エンジン１の回転数が判定回転数以下と判断した場合はステップＳ１５に進み、ＥＣＵ３０は制御弁２０を開けるとともにアクチュエータ１８の過給制御を実行する。すなわち、ブースタ装置１０を起動する。なお、既にブースタ装置１０が動作中の場合はその状態を維持する。アクチュエータ１８の過給制御において、外筒１２を第１位置及び第２位置に移動させるタイミングは、クランク角センサ３１の出力信号に基づいて判断される。上述したように排気脈動は、エンジン１の回転数に応じた周波数で発生する。そのため、共鳴通路１３の一端１３ａの腹が正圧になるタイミング及びこの腹が負圧になるタイミングはエンジン１のクランク角センサ３１の出力信号に基づいて判断することができる。すなわち、アクチュエータ１８の過給制御においてＥＣＵ３０は、クランク角センサ３１の出力信号に基づいて共鳴通路１３の一端１３ａの腹が負圧になる時期を算出し、その算出した時期に外筒１２が第１位置に移動するようにアクチュエータ１８の動作を制御する。また、クランク角センサ３１の出力信号に基づいて共鳴通路１３の一端１３ａの腹が正圧になる時期を算出し、その算出した時期に外筒１２が第２位置に移動するようにアクチュエータ１８の動作を制御する。次のステップＳ１６においてＥＣＵ３０はバイパス弁８を閉じる。その後、今回の制御ルーチンを終了する。
【００２４】
本形態の過給システムによれば、排気脈動によって共鳴通路１３内に定在波を生じさせ、その定在波の腹の圧力変動を利用してエンジン１の過給を行うことができる。そのため、エンジン１の回転数が低くタービン５ｂに流入する排気の流量が少なくなってもエンジン１の過給を十分に行うことができる。また、このようにエンジン１の回転数が低い場合にはブースタ装置１０で過給を行うことにより、エンジン１の回転数が高くなる運転状態、例えば図４の領域Ａの範囲において最もコンプレッサ効率が高くなるようなターボ過給機５を搭載させることができる。
【００２５】
共鳴通路１３の長さＬは、上述した（１）にて設定されているので、共鳴通路１３の一端１３ａに腹が生じ、他端１３ｂに節が生じる１／４波長の定在波を共鳴通路１３内に発生させることができる。これにより内筒１１の長さを短くすることができるので、ブースタ装置１０を小型化することができる。
【００２６】
本発明は、上述した形態に限定されることなく、種々の形態にて実施することができる。例えば、アクチュエータは外筒の代わりに内筒を移動させて吸気通路の一端と内筒の貫通孔とを接続させたり、排出通路の一端と内筒の貫通孔とを接続させたりしてもよい。また、内筒及び外筒の両方を相対移動させてこれらの接続を切り替えてもよい。
【符号の説明】
【００２７】
１  内燃機関
３  吸気通路
４  排気通路
５  ターボ過給機
５ａ  コンプレッサ
５ｂ  タービン
７  バイパス通路
８  バイパス弁
１０  ブースタ装置
１１  内筒（内筒部材）
１２  外筒（外筒部材）
１３  共鳴通路
１３ａ  一端
１３ｂ  他端
１４  貫通孔
１５  吸入通路
１５ａ  吸入通路の一端
１６  排出通路
１６ａ  排出通路の一端
１７  ピストン（ピストン部材）
１８  アクチュエータ（駆動手段）
１９  接続通路
２０  制御弁
３０  エンジンコントロールユニット（制御手段）
ＣＬ  軸線
Ｃ  気筒数
Ｖ  音速
Ｌ  共鳴通路の長さ
Ｎ  ブースタ装置を動作させるべき所定の運転状態におけるエンジン１の１分間当たりの回転数
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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